Dieses Skript basiert auf Erfahrungen der LV Die Erde 1, als sie noch nach der alten Studienordnung strukturiert war. Da sie auch damals schon die Einführungs-Vorlesung schlechthin war, sollten die Mitschriften auch für jüngere Studenten der Geologischen Wissenschaften interessant sein.

Der Hauptteil stammt von Sandra Krause, jedoch wird er zukünftig weiter ergänzt werden.

Kreislauf der Gesteine (Press & Siever)

Man unterscheiden zwei grosse Gruppen von Vorgängen in und auf der Erde. Im Erdinneren wirken die endogenen, an der Erdoberfläche die exogenen Kräfte. Verwitterung, Bodenbildung, Erosion und Transport führen zur Anhäufung von lockeren Sediment, dass durch die Verfestigung zu Sedimentgestein wird. Einfache Beobachtungen und Überlegungen zu diesem Gesteins-Recycling zeigen: 1. Alle Gesteine stammen ursprünglich von magmatischen und metamorphen Gesteinen ab. 2. Magmatische und metamorphe Gesteine stellen etwa 95% der Gesteine der Erdkruste dar. 3. An der Erdoberfläche finden wir jedoch eine 75%ige Bedeckung mit Sedimentgesteine vor. 4. So kann man sagen, das ein Grossteil der terrigenen Sedimente von erodierten Sedimentgestein abstammt.

Der hydrologischer Zyklus wird im wesentlichen vom Luftkreislauf und somit der von Sonnenenergie angetrieben. Es werden dabei ca. 60% der Sonnenenergie absorbiert. Die äquatornahe Bodenluft wärmt sich auf, steigt auf und strömt dann polwärts. Auf diesem Weg kühlt sie ab sinkt und ersetzt wärmere Luft in tieferen Schichten. Daraus entsteht ein globales System gerichteter Windströmung in Form von Konvektionszellen. Gleichzeitig verdunstet Oberflächenwasser durch die Sonneneinstrahlung dabei erfolgt die grösste Wasseraufnahme durch Ozeane. [...]

Der Hydrologische Kreislauf (Quelle: unbekannt)

Grundwasser ist Wasser im festen und lockerem Untergrund, welches dort teilweise die Hohlräumen füllt.

Die Härte des Grundwassers wird durch Anteil an gelösten zweiwertigen Metallionen bestimmt.

[...]

Ein Grundwasserreservior ist ein System zusammenhängender Hohlräume, die mit Grundwasser gefüllt sind. Hierbei sind Porosität und Permeabilität die wesentlichen physikalischen Boden-, Gesteins- bzw. Sedimenteigenschaften, die die Menge, Verfügbarkeit und Bewegung des Grundwassers bestimmen.

Die Porosität ist der prozentuale Anteil des Porenraumes bezogen auf das Gesteinsvolumen. Es gibt verschiedene Formen diese Porenraumes. Dabei kann es sich um Hohlräume zwischen den Partikeln, Risse, Klüfte oder Störungen handeln.

Die Permeabilität ist die Kapazität eines Materials Flüssigkeit zu verlagern bzw. hindurchzulassen.

Die Verwitterung ist die Gesamtheit aller Reaktionen von Gestein auf die an er Erdoberfläche herrschenden physikalischen, chemischen und biologischen Bedingungen. Sie äussert sich durch den Zerfall des Gesteinverbandes, durch Auflösung und Neubildung von Mineralen.

Die mechanische bzw. physikalische Verwitterung verursacht, mechanische Zerstörung des Ausgangsmaterials ohne unmittelbare chemische Zersetzungsprozesse.

Druckentlastung, Volumenzunahme oder Schrumpfung in Folge von Temperatur- und Feuchtigkeitsveränderungen können zur Zerstörung des Gesteinsverbandes führen.

Je nach der Tiefe unterhalb der Erdoberfläche lastet ein bestimmter lithostatischer Druck auf das Gestein. Durch Hebung oder Abtragen sinkt die Auflast und dieser Druck fällt. Dabei kommt es u.a. zur Ausbildung von Gesteinsspalten.

Frostsprengung:

Dieser Vorgang ist meist auf nivale Klimagebiete beschränkt. Es ist ein Spezialfall der physikalischen Verwitterung durch Kristallisiationsdruck. Hierbei befindet sich Wasser in den Poren oder Rissen des Gesteins, dass sich beim Gefrieren ausdehnt und so einen beträchtlichen Druck auf die Porenwände ausübt. Der Wirkungsgrad dieser Art von Verwitterung ist in periglazialen Regionen mit hohen Temperaturschwankungen besonders effektiv.

Krisatallisationsdruck oder Salzsprengung:

Wie das Wasser, können auch andere Salze durch Auskristallisation und die damit verbundene Volumenzunahme das Gestein zerstören. Dies geschieht in ariden oder semiariden Gebieten besonders häufig. Das kapillar aufsteigendes Grundwasser verdunstet nahe der Oberfläche und es werden die darin gelösten Minerale als Salze ausgefällt, diese üben wiederum einen enormen Druck auf die Porenwände aus und zerstören so den Gesteinsverband.

Verwitterung durch Insolation/ Temperaturverwitterung:

Aufgrund seiner schlechten Wärmeleiteigenschaften heizen sich die Gestein nur langsam und ungleichmässig auf und kühlen auch ebenso wieder ab. In Wüstengebieten mit hohen Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht führt das zu stark unterschiedlichem Ausdehnungen bzw. Schrumpfungen des Gesteins, was zu einer regelrecht schalenförmigen Absprengung des Gesteins führen kann.

Sonstige phys. Verwitterungen:

- Pflanzen u.a. Organismen
- Abrasion und Zugspannung
- Durch menschliche Einflüsse (z.B: Bergbau, Geologen, Landwirtschaft etc.)

Durch chemische Reaktionen werden Minerale aufgelöst oder in ihrem Aufbau verändert. Wichtigstes "Reaktionsmittel" ist das Wasser der Erdoberfläche bzw. im Boden. Diese Form der Verwitterung ist hauptsächlich in humiden Klimabereichen bedeutend.

Chemisch-biologische Verwitterung:

- Bodenorganismen, wie z.B. Regenwürmer, Ameisen etc.
- primitive Pflanzen (Moose, Flechten)

Oxidation:

- in Mineralien werden Ionen mit oxidierenden Ionen verbunden und in Oxide umgewandelt.

Hydratation:

Hiefür sind leicht lösliche Chloride, Sulfate und Nitrate besonders anfällig. An deren Randionen im Kristallgitter bildet sich eine Wasserhülle, die eine Lockerung und schliesslich eine Dissoziation hervorruft. Vor allem Salzgesteine sind gut löslich. (Alkali- und Erdalkalisalze)
Weniger löslich sind Sulfate wie Gips und Anhydrit. Die Lösungsverwitterung (hydratation) läuft ohne eigentliche chemische Reaktion ab.

Hydrolyse:

Vor allem Minerale oder Gesteine, die durch eine schwache Säure oder Base gebildet worden sind, werden durch Hydrolyse zersetzt. Als bekannteste Vertreter gehören hierzu die Silikate und Karbonate.

Karbonate sind in reinem Wasser nicht löslich. Das Niederschlagswasser nimmt jedoch an der Luft und aus dem Boden Kohlenstoffdioxid auf. Dabei entsteht Kohlensäure, welche die Karbonate zersetzt. Die Löslichkeit der Karbonate steigt mit zunehmenden CO₂- Partialdruck und abnehmender Temperatur.

H₂O + CO₂ <--> H₂CO₃

CaCO₃ + H₂CO₃ <--> Ca²⁺ + 2HCO₃^-

Rauchgasverwitterung:

Dabei handelt es sich um eine spezielle Form der Hydrolyse. Sie ist besonders in Industriegebieten effektiv, wo Emissionen, insbesondere des Kohlendioxid, Schwefeldioxid und andere Stoffe mit dem Regenwasser aggressive Säuren bilden. ("Saurer Regen")